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| 電去離子和樹(shù)脂電再生技術(shù)的研究進(jìn)展 |
| 日期:2011年11月25日
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1 電去離子凈水技術(shù)[1,2]
1.1 原理
電去離子（electrodeionization,簡(jiǎn)稱EDI）凈水技術(shù)是一種將離子交換和電滲析膜技術(shù)相互有機(jī)地結(jié)合在一起、只用電來(lái)除去水中離子的脫鹽凈水的新方法，國(guó)內(nèi)稱之為填充床電滲析脫鹽法。
現(xiàn)狀
我國(guó)開(kāi)始進(jìn)入EDI產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的門檻，EDI產(chǎn)品的最大用戶火力發(fā)電廠剛開(kāi)始使用，電網(wǎng)內(nèi)有120t/h EDI凈水設(shè)備，寶鋼自備電站有240t/h EDI凈水設(shè)備。山東有6～7家自備電站使用EDI產(chǎn)品。中國(guó)是個(gè)大國(guó)，不是進(jìn)口幾臺(tái)EDI凈水設(shè)備就能滿足要求。市場(chǎng)很大，產(chǎn)品利潤(rùn)空間還不小。利用國(guó)內(nèi)離子交換膜等國(guó)產(chǎn)材料批量生產(chǎn)EDI設(shè)備逐步提高市場(chǎng)占有率，生產(chǎn)出價(jià)廉性能與國(guó)外產(chǎn)品相媲美的產(chǎn)品。
2 離子交換電再生技術(shù)
在EDI凈水設(shè)備運(yùn)行時(shí)膜和樹(shù)脂與水的界面上不斷地進(jìn)行的水的電離，電離所產(chǎn)生的H+和OH—離子不斷地再生著失效的離子交換樹(shù)脂，從而使EDI凈水設(shè)備的出水水質(zhì)很好。因此，EDI凈水設(shè)備運(yùn)行中能再生失效樹(shù)脂是其固有的特性，這一特性能否直接加以利用，也就是直接利用EDI凈水設(shè)備來(lái)再生普通離子交換器中的失效樹(shù)脂。這時(shí)，EDI凈水設(shè)備變?yōu)橛脕?lái)再生失效樹(shù)脂用的體外電再生器，只要源源不斷地將失效樹(shù)脂從進(jìn)口送入，在直流電場(chǎng)的作用的下就有再生好的樹(shù)脂從出口連續(xù)流出，在EDI凈水設(shè)備體內(nèi)，進(jìn)行著樹(shù)脂的電再生過(guò)程。這樣，就利用這種體外電再生器代替了原來(lái)離子交換器再生所用的酸堿再生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了失效離子交換樹(shù)脂的體外電再生。這種體外電再生失效樹(shù)脂的系統(tǒng)如圖2所示。
這種離子交換樹(shù)脂體外電再生構(gòu)思最初來(lái)源于EDI凈水設(shè)備中水的電離，這一體外電再生系統(tǒng)正確性的直接驗(yàn)證是由目前正在使用的近萬(wàn)套EDI凈水設(shè)備所提供的，這些EDI凈水設(shè)備能可靠地運(yùn)行不就是樹(shù)脂電再生正在EDI凈水設(shè)備中進(jìn)行的例證嗎？然而，人們并不滿足于這種驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了種種實(shí)驗(yàn)裝置，演示了樹(shù)脂電再生過(guò)程，測(cè)定了有關(guān)數(shù)據(jù)，論證了實(shí)施樹(shù)脂電再生的可行性。
2.2 可行性論證
1）河北建筑科技學(xué)院
李福勤等[6]受本樹(shù)脂電再生法這一發(fā)明的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了淡水室為200mm×100mm×10mm的 EDI凈水設(shè)備試驗(yàn)裝置，測(cè)定了影響混床離子交換樹(shù)脂電再生的有關(guān)參數(shù)。試驗(yàn)證實(shí)，該試驗(yàn)裝置可使樹(shù)脂充分再生，樹(shù)脂再生的效果極好，試驗(yàn)顯示了樹(shù)脂電再生技術(shù)有良好的可行性。確定該試驗(yàn)裝置的再生電壓為30V，再生時(shí)間為40min，計(jì)算得出淡水室流速為0.5～1.0cm/s。
用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹(shù)脂電再生的試驗(yàn)研究，被列為河北省2000年科技攻關(guān)指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（00213093）。雙極膜是陽(yáng)離子交換樹(shù)脂層、陰離子交換樹(shù)脂層和中間界面親水層所組成，在直流電場(chǎng)的作用下，它能將水直接電離成H+和OH—離子。李福勤等[7]用雙極膜（上海產(chǎn)）將淡水室一分為二，雙極膜兩側(cè)分別填充陰陽(yáng)樹(shù)脂，用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行復(fù)床離子交換樹(shù)脂電再生可行性的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)再生電壓為60V和再生時(shí)間為60min時(shí)，該樹(shù)脂電再生裝置可將失效樹(shù)脂再生至接近化學(xué)再生的程度，顯示了樹(shù)脂電再生技術(shù)有良好的可行性。
2）天津大學(xué)
王建友等[8]曾在自制的EDI凈水設(shè)備中填充鹽基型混床樹(shù)脂試驗(yàn)樹(shù)脂電再生的可行性，以電導(dǎo)率為10～18μS/cm的RO出水作為該EDI凈水設(shè)備的進(jìn)水，通電運(yùn)行約18 h，產(chǎn)品水的電阻率由0.3 MΩ·cm上升至15 MΩ·cm以上，使混床樹(shù)脂得到有效的再生。因此，在一定的工藝條件下，用EDI凈水設(shè)備可將Na、Cl型樹(shù)脂電再生處理到接近乃至超過(guò)酸堿再生的程度[9]。
3）北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司和華北電力大學(xué)
國(guó)家電力公司對(duì)離子交換樹(shù)脂電再生技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)工作，是由樹(shù)脂電再生專利發(fā)明人王方教授建議、北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司申辦的，并將它列為2001年國(guó)家電力公
司科技基金項(xiàng)目（SP-2001-02-25）。由于某種原因，專利發(fā)明人未參加此研究開(kāi)發(fā)工作。
用自制的試驗(yàn)裝置得出的研究結(jié)果表明，離子交換樹(shù)脂經(jīng)電再生后其工作交換容量可達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用標(biāo)準(zhǔn)（300 mmol/L以上）。他們還用雙極膜進(jìn)行復(fù)床離子交換樹(shù)脂電再生試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，國(guó)產(chǎn)膜不能滿足使用要求，而用日本膜可得到令人滿意的電再生效果。
他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，再生效果的重現(xiàn)性差，在相同的實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)6次實(shí)驗(yàn)，所測(cè)得的再生后樹(shù)脂工作交換容量分別為288, 321, 163, 179, 204, 196 mmol/L。他們還發(fā)現(xiàn)，樹(shù)脂破碎程度隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增多逐漸明顯，而這會(huì)影響樹(shù)脂再生效果。因此，測(cè)定了再生樹(shù)脂的耐磨率，一般樹(shù)脂的耐磨率的正常值為95%，而再生后的樹(shù)脂的測(cè)定值僅為19.6%（陽(yáng)樹(shù)脂）和3.7%（陰樹(shù)脂）。他們?cè)谡撐腫10]中驚呼：“使用過(guò)的樹(shù)脂在進(jìn)行耐磨率實(shí)驗(yàn)時(shí)，基本沒(méi)有完整的圓形顆粒，絕大部分已成粉末”。他們對(duì)造成上述現(xiàn)象的原因分析是：“樹(shù)脂顆粒發(fā)生了再生－失效－再生的循環(huán)過(guò)程，導(dǎo)致樹(shù)脂顆粒無(wú)數(shù)次的膨脹－收縮－膨脹，從而使樹(shù)脂易破裂，理化性能下降，再生效果不穩(wěn)定�！�
本文作者在用EDI凈水設(shè)備產(chǎn)品進(jìn)行10余次樹(shù)脂電再生試驗(yàn)時(shí)并未觀察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和樹(shù)脂破裂等現(xiàn)象。從事水處理的專業(yè)人士都知道，正常的樹(shù)脂合格產(chǎn)品，放于固定床水處理設(shè)備中使用時(shí)，由于使用損耗，年補(bǔ)充率為7％左右；放于流動(dòng)床水處理設(shè)備中使用時(shí)，年補(bǔ)充率為15％左右。在正常情況下，不會(huì)發(fā)生樹(shù)脂使用幾次就基本變成粉末的情況。國(guó)內(nèi)外有近萬(wàn)套EDI凈水設(shè)備在運(yùn)行，也未見(jiàn)經(jīng)短期使用樹(shù)脂就變成粉末的報(bào)道。所以，從上述電再生試驗(yàn)中樹(shù)脂僅經(jīng)歷6次電再生就破裂成末的現(xiàn)象，不難推斷，上述電再生試驗(yàn)所用的樹(shù)脂可能是偽劣樹(shù)脂，或者是再生樹(shù)脂（報(bào)廢樹(shù)脂經(jīng)加工處理后再用）。如果上述電再生試驗(yàn)中用的樹(shù)脂是偽劣產(chǎn)品，那就很容易解釋樹(shù)脂破裂和再生效果重現(xiàn)性差等現(xiàn)象了。從另一個(gè)角度看，上述電再生試驗(yàn)中所觀察到的現(xiàn)象正好說(shuō)明，失效樹(shù)脂電再生的可行性，電再生也能使偽劣產(chǎn)品的失效樹(shù)脂恢復(fù)一部分交換能力。
4）武漢藝達(dá)水處理工程有限公司和武漢大學(xué)
鄒向群等[11]用自制的樹(shù)脂電再生裝置進(jìn)行樹(shù)脂電再生的試驗(yàn)研究。樹(shù)脂電再生試驗(yàn)時(shí)，失效樹(shù)脂從裝置頂部間斷送入，相應(yīng)的已再生好的樹(shù)脂從裝置底部間斷排出。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。從表1數(shù)據(jù)可見(jiàn)，用直流電對(duì)失效離子交換樹(shù)脂可以進(jìn)行一定程度的再生，再生過(guò)程中的電流效率隨樹(shù)脂再生度的提高而下降。表1中序號(hào)2、4、5樹(shù)脂再生度的數(shù)據(jù)，還表明樹(shù)脂再生度可局部提高，如按序號(hào)2中陽(yáng)樹(shù)脂從3.5%提高到44.3％，其次按序號(hào)4中陽(yáng)樹(shù)脂從44.4％提高到57.5％，再按序號(hào)5中陽(yáng)樹(shù)脂從85.4％提高到88.7％，這樣分三步從很低的再生度3.5％提高到很高的再生度，這也間接說(shuō)明該試驗(yàn)裝置高度不夠，樹(shù)脂在試驗(yàn)裝置內(nèi)停留時(shí)間不夠長(zhǎng)，以致不能一步就實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂徹底再生。
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